考慮基底起伏的土體失水開裂動態過程試驗研究

2015-03-26 02:05:20龔緒龍張衛強姚亞輝

金屬礦山 2015年6期

龔緒龍孫強，張衛強姚亞輝

(1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇南京210049;2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州221116)

土體失水開裂涉及到土質土力學、土壤物理學和流體力學等多門學科的問題。開裂后的土體會導致大量的工程和環境問題。例如，導致土質邊坡失穩［1-3］;地基承載力下降，引起上部建筑物變形破壞［4-6］;誘發堤壩潰決［7］;促發地裂縫形成［8］;導致土壤水分快速蒸發，致使土壤肥力下降［9-12］等。因此，土體失水開裂成為眾多研究人員關注的問題。國內外目前對土體失水開裂已經進行了較多的研究［13-20］。例如，施斌等［13］、周東［14］等進行了不同土體龜裂試驗;唐朝生等［15］、Vogel［16］將圖像處理技術應用于土體開裂分析;Velde［17］、Colina 等［18-19］對土體開裂的分析特征和尺度效應進行了研究;Horga等［20］構建了土體裂縫隨機生長模型。但是，自然界的土體開裂除了受土體性質和環境蒸發等因素的影響外，還與其厚度及其均一性等賦存條件有關。本研究利用失水收縮性強的膨潤土，進行了土體失水開裂特征試驗，在此基礎上分析探討了土體干縮開裂發育的動態過程特征與基底起伏對裂縫發育的影響。

1 試驗設計

試驗模型箱用80 cm ×80 cm ×50 cm 的玻璃制成，底部預置10 cm 高混凝土，在中部沿模型軸向預設了由硬化的水泥構成的12.5 cm 高的起伏形態(如圖1(a)所示，下文稱為梁式起伏)，水泥梁底部寬36 cm(兩側各18 cm，見圖1(b))。以中心線為坐標原點，其起伏狀態可近似表達為

式中，h0取8.5 cm，a、b 分別取13.9、181.5，擬合精度R2= 0.982 。

圖1 模型裝置Fig.1 Test model

試驗時在模型中放入由鈉基膨潤土和水配成的飽和均勻泥漿，試驗所用膨潤土參數如表1 所示。在自然條件下水平靜置至干縮開裂(如圖2 所示)。

表1 膨潤土物理參數Table 1 Physical parameters of bentonite

圖2 試驗模型Fig.2 Test model

圖2 所示模型中飽和膨潤土高度為16.5 cm，超過起伏梁的頂部4 cm。試驗過程對試樣進行了長達45 d的觀測，對其失水收縮與開裂過程進行了詳細記錄。

2 開裂過程裂縫發育特征動態分析

試驗時土樣初始含水量較高，在試驗的前240 h，土樣表面未觀測到發生明顯開裂現象，但在玻璃與土樣交界部位可以發現較為明顯的收縮痕跡。根據試樣開裂過程中裂縫率面積率(試樣表面裂縫面積總和與試樣初始表面面積的百分比)和裂縫發育條數，可以將裂縫發育演化的動態特征過程劃分為開裂前Ⅰ、快速開裂Ⅱ、開裂趨于停滯Ⅲ3 個階段，如圖3 所示。這里，重點對后2 個階段進行分析。

圖3 裂縫面積率、裂縫條數與時間的關系曲線Fig.3 Relationship curve among cracks area ratio，cracks number and time

2.1 快速開裂階段裂縫發育特征關系

裂縫快速發展期(階段Ⅱ):根據裂縫發育空間部位和裂縫開裂程度可細分化為Ⅱ－1、Ⅱ－2 兩個小階段(見圖3)，對主要裂縫按開裂的先后順序進行了編號。

(1)在Ⅱ－1 階段，隨著因蒸發導致的失水增加，土體裂縫開始出現在位于邊界范圍的區域(如圖4所示)，開裂的起點位于器壁和基底起伏梁最高點的交界位置，F1 的發育演化顯著地受到了基底起伏、邊界條件的影響。隨著土體失水增加，已形成的裂縫F1 的長度、寬度和深度快速生長，誘導了新的裂縫F2 和F3 產生(見圖5(a))。

上述F1、F2、F3 為裂縫按出現的時間順序編號，以下同。

圖4、圖5 顯示出圖中下部分比上部開裂得早，這與模型放置時底部設置了極微緩的坡度有關，這導致圖中下部所在位置相對上部更加有利于水分的蒸發，同時也影響著F3 發育開裂方向。由圖5 可以明顯地看出，F3的發育演化徑跡和過程顯著地受到了基底起伏造成的沉降差的影響，體現為裂縫發育長度超長，且裂縫整體開裂方向與起伏梁走向成小角度相交(平均約為29°)。在這個階段裂縫面積率增加到大約為3.32%，除了F3，裂縫主要集中發育在模型邊緣角部位置(見圖5(d))。

圖5 裂縫演化過程Fig.5 Evolution process of fractures

(2)Ⅱ－2 階段。在Ⅱ－1 階段末期的圖5(d)中，可以觀察到對Ⅱ－2 階段裂縫發育演化起著重要控制性影響的裂縫F8 的起始開裂信息，其開裂源點正好位于基底起伏涵蓋范圍的邊緣位置。F8 的開裂主體方向與F3 近乎于平行(圖6(a)所示)，但不同的是其開裂演化過程除了受到基底起伏的顯著影響，還與先前開裂和這個階段伏梁頂部失水率快于兩側有關。從發育進程來看，F8 的發育明顯快于F3。

從裂縫的條數和裂縫面積率來看，Ⅱ－2 階段裂縫發育明顯快于Ⅱ－1 階段。在Ⅱ－2 階段裂縫面積率增加到大約為19.8%。新生裂縫主要集中發育在基底起伏所涵蓋的范圍內，且新生裂縫與先前裂縫近乎于垂直相交(見圖6)。

2.2 開裂趨于停滯階段裂縫發育特征關系

階段Ⅲ(裂縫發育趨于停滯期)，在這個階段土體開裂的整體格局基本上與圖6(d)相同，不同之處在于裂縫寬度隨著失水率的增加而有了顯著增長。此外，模型邊緣位置被裂縫切割的塊體上有新的小裂縫發育。因此，盡管在圖3 上顯示這個階段的裂縫面積率和裂縫條數仍有較大程度增加，但裂縫發育演化的整體格局已經不再發生明顯變化(如圖7 所示)，且可以從頂部看到模型預先設計起伏所用的硬化水泥。在這個階段，土體裂縫的變化主要受土體含水量的變化控制。

圖6 裂縫演化過程Fig.6 Evolution process of fractures

圖7 裂縫演化過程Fig.7 Evolution process of fractures

此外，圖7 中圈出了邊界影響和基底起伏涵蓋的范圍，從圖中可知，在起伏區裂縫最為發育。需要指出的是，若是含水量進一步降低，圖7 中較大的塊體仍有可能開裂，但這個過程需要很長時間。

3 結論

(1)土體失水開裂過程可劃分為開裂前Ⅰ、快速開裂Ⅱ、開裂趨于停滯Ⅲ3 個階段。

(2)裂縫動態演化過程中受到了模型邊界和基底起伏的顯著影響:在快速開裂Ⅱ－1 階段，裂縫主要發育在模型的角部，Ⅱ－2 階段裂縫主要在基底起伏影響范圍內發育;在Ⅲ階段，盡管表面開裂仍在發生，裂縫發育的整體格局已經不再發生顯著變化。

(3)從裂縫形態看，后期裂縫與前期裂縫主要呈現為垂直相交，特別是在起伏區范圍內。

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